Von der Manufaktur zur Automation Einfach Nachrüsten: Digitale Prozess- und Energieüberwachung

Bestandsanlagen ohne grossen Aufwand digitalisieren: das zeigen Plug-and-Play-fähige modulare Lösungen von in.hub, mit denen sich Anlagendigitalisierung und Energiemanagement ohne grossen Aufwand und Fachwissen nachrüsten lassen. Wie das funktionieren kann, haben die Experten fürs Wasserstrahlschneiden von Novajet aus Chemnitz erlebt.

Nach über einem Jahrzehnt Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Wasserstrahltechnik wurde 2019 Novajet als «Spin-Off» aus der Technischen Universität in Chemnitz gegründet. Ihre Gründer hatten viele Jahre unter anderem an der Leistungssteigerung des Wasserstrahls gearbeitet und eine Lösung entwickelt, mit der sich kleinste Strukturen zuverlässig mit Wasserstrahl schneiden lassen. Entstanden sind daraus Mikrowasserstrahlanlagen fürs Präzisionswasserstrahlschneiden. Daneben bieten die Chemnitzer auch Dienstleistungen fürs Wasserstrahlschneiden an. Weil aber zu den Präzisionsschneidaufgaben auch vermehrt andere Anfragen eingingen, nutzen sie für diese Dienstleistungen Wasserstrahlschneidanlagen anderer Hersteller. Im Einsatz der Anlagen entdeckten die Experten verschiedene Optimierungs- und Energiespar-Potenziale. Um diese transparent und nutzbar machen zu können, benötigten sie jedoch digitale Prozess- und Energiedaten. Durch Auswertung und Abgleich dieser Daten, liessen sich dann verschiedene Einsparpotenziale ableiten. Ihnen war klar, dass auch das Condition Monitoring, die vorbeugende Instandhaltung sowie der Energieeinsatz von einer solchen Lösung profitieren würden. Allerdings müssten dazu der Aufwand und die Kosten für die Integration in einem sinnvollen Verhältnis zum Nutzen stehen. Bei der Suche nach einer einfach nachzurüstenden Digitalisierungslösung zur Prozessdaten- und Energieüberwachung wurden sie fündig bei in.hub. Das Unternehmen bietet smarte IoT- bzw. IIoT-Devices zur Digitalisierung von Maschinen und Prozessen in der Industrie.

Know-how digital abbilden

Die Schneiddüse ist beim Wasserstrahlschneiden eines der zentralen Elemente. Hier sahen die Chemnitzer für den Einstieg die grössten Ansatzpunkte für Einsparungen. Durch den Wasserstrahl und das je nach Anwendungsfall beigemischte Abrasiv unterliegen Schneiddüsen einem natürlichen Verschleiss. Daher müssen sie in regelmässigen Abständen getauscht werden. Ein erfahrener Anlagenbediener hört am Geräusch den Zustand einer Schneiddüse und kann im Problemfall eingreifen. Solange Menschen jedoch so intensiv in den Fertigungsprozess eingebunden sind, bleibt dieser immer auf der Ebene der Manufaktur und lässt sich nur schwer automatisieren. Es ergibt aber auch in diesem Zusammenhang Sinn, Experten-Know-how digital abzubilden. Ein Grund ist der Fachkräftemangel, ein anderer der, dass die Anlagen rund um die Uhr, auch in «Geisterschichten», zuverlässig arbeiten sollen. Markus Dittrich, Inhaber der Novajet GmbH berichtet: «Aus unseren Forschungen hatten wir bereits umfangreiches Know-how gesammelt, wie wir anhand verschiedener Prozessparameter den Zustand unserer Anlagen bewerten können. Jetzt haben wir jemanden gesucht, der uns dabei hilft, mit diesem Wissen industrietaugliche Lösungen zu realisieren.» In.hub konnte sie nicht nur generell unterstützen mit einer Plug-and-play-fähigen Lösung zur nachträglichen Integration von Prozessdaten- und Energieüberwachung über entsprechende IIoT-Gateways, sondern bietet daneben verschiedene Tools für individuelle Herausforderungen, z.B. auch den HUB-VM102. Dabei handelt es sich um ein Gerät, das im industriellen Bereich dauerhaft Schwingungen von Maschinen und Maschinenteilen überwacht.

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Digitalisierung per Baukasten schrittweise nachrüsten

Christian Gross ist Managing Director der in.hub GmbH, er berichtet: «Typischer Auslöser fürs Nachrüsten einer Anlagendigitalisierung ist das Thema Energiemanagement. Bei Novajet war das etwas anders. Hier war zuerst eine Lösung für die Schwingungsüberwachung gefragt. In beiden Fällen braucht es aber die passenden Tools für einen grundsätzlichen Digitalisierungs-Retrofit, der dann den Einsatz verschiedener Lösungen ermöglicht.» Zum Erfassen, Verarbeiten und Analysieren von Maschinen- und Prozessdaten wird in diesem Use-Case zunächst ein entsprechendes Gateway benötigt. Novajet nutzt dafür das HUB-GM200. Es wird in siineos über den integrierten S7-PLC-Client mit der Siemens S7-Steuerung der Maschine verbunden und überwacht gemeinsam mit zusätzlicher Sensorik oder mit Erweiterungsmodulen kritische Anlagenkomponenten. Generell sind für die Integration Fabrikat und Baujahr der Maschine oder Typ der Steuerung unerheblich, die Gateways lassen sich über Standardschnittstellen in nahezu alle Anlagen einfach per Plug and Play anbinden. Gross ergänzt: «Vom PC kennen wir alle die USB-Schnittstelle, mit der sich alle möglichen Geräte einfach anschliessen lassen. Unser Ziel war es, eine ähnlich einfache Lösung für den Industriebereich zu entwickeln.»

Dass die Integration so einfach funktioniert, liegt am Betriebssystem siineos. Das linuxbasierte Betriebssystem hat in.hub speziell für IoT Umgebungen entwickelt. Es bietet vorkonfigurierte Funktionen zur selbständigen Umsetzung von IIoT-Projekten. Das Betriebssystem und alle vorkonfigurierten Funktionen sind bereits auf dem in.hub IoT-Gateway vorinstalliert oder per Download als App verfügbar. Die Einrichtung funktioniert ganz ohne Code und ohne Programmierung. Alle Daten aus dem Prozess lassen sich dann je nach Kundenwunsch in einer lokalen Datenbank oder in der Cloud abspeichern. Zur Visualisierung der Prozessdaten nutzen die Experten fürs Wasserstrahlschneiden MaDoW (Monitor and Downtime Watch). Hier werden die gesammelten Maschinendaten in Echtzeit auf einen Blick visualisiert. Anlagenstillstände, Anomalien oder Effizienzwerte lassen sich übersichtlich einsehen. Dittrich berichtet: «Am meisten begeistert mich, wie kinderleicht die Integration der Digitalisierung vonstattenging. Das war wirklich nur eine Frage von Minuten bis wir das Gateway, die Software und das Modul zur Vibrationsmessung installiert sowie die Visualisierung eingerichtet hatten.»

Nachrüsten der Körperschallmessung an der Schneiddüse

Mehr Arbeit kam auf die Wasserstrahlexperten dann bei der Auswertung der Daten aus der Körperschallmessung zu. Diese Daten sind komplex und erfordern Expertenwissen. Hier profitierte Dittrich von seiner jahrelangen Forschung. Gepaart mit den realen Daten aus dem Betrieb konnte Novajet so Parameter erarbeiten, anhand derer sich der Verschleiss der Schneiddüsen ermitteln lässt. So kann man einerseits Alarme absetzen, wenn die Schneiddüsen nicht mehr richtig funktionieren und die Produktion unmittelbar stoppen, um Ausschuss zu vermeiden. Andererseits wird eine vorbeugende Instandhaltung möglich. Dittrich erklärt: «Wie lange sich eine Schneiddüse nutzen lässt, ist ohne Analyse schwer zu sagen. Die Dauer schwankt deutlich etwa zwischen 15 und 50 Stunden. Jetzt muss man die Düsen nicht mehr präventiv tauschen, sondern nach dem realen Verschleiss. Das bringt immense Einsparungen.»

Weil das Auswerten von Körperschallinformationen komplex ist und Experten-Know-how erfordert, arbeitet in.hub derzeit an einer App für Standardanwendungen mit Pumpen und Lüftern, die das Auswerten solcher Daten erleichtert. Die Experten fürs Wasserstrahlschneiden bieten indes ihr bei ihrer Nachrüstung erworbenes Know-how nun auch anderen Betreibern von Wasserstrahlschneideanlagen an. «Bei Interesse übernehmen wir den Retrofit einer Anlage mit den entsprechenden Tools, der Datenauswertung und der zugehörigen Visualisierung», berichtet Dittrich.

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Energiemanagement und mehr

Der baukastenbasierte Ansatz, mit dem sich verschiedene Digitalisierungslösungen schrittweise einführen lassen, erwies sich auch bei Novajet als Segen. Nachdem die Körperschallmessung realisiert war, kam die Frage auf, wie sich die Energieeffizienz der Anlage steigern lässt. Hierzu installierten sie das HUB-EN200, ein Zusatzmodul fürs Energiemonitoring. Erst der Abgleich von Prozess- und Energiedaten zeigt, ob hohe Verbräuche technisch begründet sind oder auf Anomalien hindeuten. Für die Druckluftsysteme war bereits ein Air-Management-System (AMS von SMC) im Einsatz, das ebenfalls mit dem EN200 in die Auswertung eingebunden wurde. Da SMC ein Partner von in.hub ist, funktioniert auch diese Integration einfach per plug & play. Mit diesen Informationen kann man nun sehr genau sehen, wann welche Energieverbräuche auftreten, diese Informationen mit den Steuerungsdaten abgleichen und dadurch Unstimmigkeiten frühzeitig aufdecken. Gerade Kompressoren stehen wegen des Lärms oft etwas abseits und geraten leicht aus dem Blick. Bei Leckagen kann es aber schnell zu hohen Druckluftverlusten kommen. Und weil die Herstellung von Druckluft energieintensiv ist, führt das wiederum zu hohen Energieverlusten. Diese können mit der digitalisierten Lösung nun direkt erkannt werden. Gross resümiert: «Vielen Anwendern ist der Zustand, die reale Produktivität ihrer Anlage völlig unbekannt, weil sie entsprechende OEE-Kennzahlen nicht erfassen können. Sie schrecken jedoch vor der Digitalisierung zurück, weil sie den Aufwand scheuen. Mit unseren Lösungen kann man ohne grossen Aufwand starten.» Viele Anlagenbetreiber beginnen mit digitalen Lösungen fürs Energiemanagement und entwickeln dann weitere Ideen, was sie noch überwachen könnten, wo sie schon einmal eine Digitalisierung aufgesetzt haben. Aber auch ein Einstieg aus anderer Richtung, wie bei Novajet ist möglich. Egal, welchen Startpunkt man wählt, mit den modularen Lösungen von in.hub entsteht in kurzer Zeit mit wenig Aufwand im Retrofit eine digitalisierte Anlage.

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